隨著我國淡水資源的緊缺,沿海地區電廠主要用海水作為發電機組重要輔機凝汽器的冷卻介質,海水具有較強的腐蝕性,容易導致凝汽器腐蝕失效,嚴重危害其正常運行[1]。核電站運行期間凝汽器中鈦管、膨脹節、二次濾網等長期面臨礦物鹽侵蝕、海水沖擊、異物撞擊等風險,換熱管破損泄漏、膨脹節老化失效、二次濾網破損等問題時有發生,這會造成凝汽器失效,嚴重影響凝汽器的穩定及機組的安全運行。凝汽器常用的腐蝕防護方法有外加電流陰極保護法和犧牲陽極保護法[2-4],在實際運行中,犧牲陽極消耗速率快,表面易結垢,這會影響陽極的性能。但傳統外加電流陰極保護設計主要依據工程實踐經驗和平均電流密度,由于凝汽器結構復雜,其附屬的管道及設備具有材料多樣、管徑不一、連接點多和結構復雜等特點[5-6],實際運行中容易出現被保護結構表面電位分布不均勻,甚至出現欠保護或過保護及析氫現象。 

核電站凝汽器二次濾網是為過濾水中雜物、保持凝汽器水室處于清潔狀態,保證膠球正常投運,提高膠球回收率而設計開發的裝置。為了保障二次濾網的安全穩定性,對其施加合適的保護措施是很有必要的。根據外部經驗反饋,在目前的保護方式下,犧牲陽極及緊固件發生脫落時,它們將沖擊凝汽器結構中的鈦管或進入鈦管內堵塞形成異物,損壞鈦管造成機組降功率的風險。為消除上述風險,通過數模計算評估二次濾網內犧牲陽極安裝移位或采用外加電流陰極保護方法的可行性,對核電站安全可靠和持續經濟運行具有重要意義。 

1.   參數收集

某核電站凝汽器二次濾網具有立式筒體結構,內部有固定的濾網板、K字架、隔板等部件。二次濾網筒體采用襯膠防腐蝕,濾網網板采用裸露不銹鋼。每臺凝汽器二次濾網網板下游安裝有犧牲陽極。根據外部經驗反饋,犧牲陽極及緊固件發生脫落時,它們將沖擊凝汽器鈦管或進入鈦管內堵塞形成異物,損壞鈦管造成機組降功率的風險。為消除該風險,從二次濾網防腐蝕保護的需求角度,可采取的改進方案包括將全部犧牲陽極改到二次濾網網板上游（下方）,或拆除全部犧牲陽極改為外加電流陰極保護,對此現狀,采取數值模擬軟件進行二次濾網建模計算,來評估兩種方法的可行性。 

1.1   二次濾網幾何結構尺寸

由圖1可知,二次濾網的結構為反向“V”字形,在濾網的上游設置了初級和二級擋板。濾網通過沖孔板能夠捕獲幾乎所有的異物,每個孔的直徑均為?12.5 mm。過濾器的內部有固定的濾網板、K字架、隔板等部件。二次濾網筒體及隔板均采用襯膠防腐蝕,濾網網板材料為裸露的316L不銹鋼,具有較好的耐蝕性。 

圖  1  凝汽器二次濾網結構尺寸

Figure  1.  Structural dimension of secondary filter of condenser

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1.2   犧牲陽極位置

如圖2所示,犧牲陽極均位于二次濾網網板下游,每臺凝汽器二次濾網內安裝有36塊高純鋅合金小犧牲陽極（長300 mm×150 mm×30 mm,2孔）、12塊鋁合金大陽極（660 mm×150 mm×45 mm,4孔）,分布在筒體和用K字架固定在筒體中間,采用并使用M16的螺栓螺母進行固定。 

圖  2  犧牲陽極安裝位置

Figure  2.  Installation position of sacrificial anode

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1.3   海水化學成分

對通過二次濾網內的海水取樣后進行化學成分分析檢測,結果如表1所示。溶液電阻率是陰極保護設計的一個基本參數,測得二次濾網內流過的海水電阻率為0.20 Ω·m。 

表  1  現場海水成分

Table  1.  On-site seawater composition

成分				Ca2+	Mg2+	K+	Na+	Cl-
質量濃度/（mg·L-1）	297	<5	208	70.2	99.6	33.5	783	1.47×103

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2.   三維模型建立及網格劃分

2.1   二次濾網幾何模型建立

根據二次濾網（濾網板、K字架、隔板、二次濾網筒體等）的幾何分布及溶液電阻率等信息,建立凝汽器二次濾網陰極保護的三維幾何模型。由于二次濾網形狀不規則,故建立模型過程中將其簡化成等效面積的圓錐形,其余構件模型尺寸和實際大小情況完全相同。在數值模擬過程中考慮了一定的筒體涂層或襯膠層破損（根據現場大致情況,計算時涂層破損率設定為5%,包括下游犧牲陽極拆除后筒體的涂層破損）。所建立的幾何模型如圖3所示。 

圖  3  二次濾網幾何模型

Figure  3.  Geometric model of secondary filter:(a) secondary filter component model;(b) secondary filter and cylinder model

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2.2   數值計算方法與數值計算網格劃分

為計算結果的準確性,采用邊界元商業數值模擬軟件BEASY對所建立的二次濾網陰極保護幾何模型進行邊界元網格劃分[7],劃分網格如圖4所示。根據所劃分的邊界元網格,利用軟件邊界元計算程序對所建立的二次濾網陰極保護數學模型進行求解。計算過程中,核電站凝汽器內部結構物與其他結構物如下游的鈦管電絕緣,沒有其他結構物影響計算結果。 

圖  4  二次濾網數學模擬計算邊界元網格劃分

Figure  4.  Boundary element mesh generation for mathematical simulation of secondary filter:(a) secondary filter grid;(b) secondary filter and cylinder grid

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2.3   陰極保護邊界條件

為得到該模型的定解,還需要確定極化邊界條件。極化特性作為一個重要的邊界條件,對數值計算結果有很大的影響,主要由金屬構件的材料、涂層狀況、溶液性質等因素決定。采用實驗室測試獲得極化曲線作為Q235鋼極化邊界條件,對模型進行調試和計算。使用Gamry reference 3000電化學工作站測量316不銹鋼及Q235鋼的極化曲線。316L不銹鋼電位掃描范圍為-1.75~ +1.0 V（相對于Ag/AgCl電極）, Q235鋼電位掃描范圍為-1.5~ +0 V（相對于Ag/AgCl電極）,掃描速率為0.166 6 mV/s。測試溶液為流經凝汽器二次濾網的海水。316L不銹鋼和Q235鋼在該海水環境中的極化曲線如圖5所示,獲得濾網板、K字架和筒體的邊界條件。 

圖  5  316L不銹鋼和Q235鋼在海水環境中的極化曲線

Figure  5.  Polarization curves of 316L stainless steel and Q235 steel in seawater environment

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3.   陰極保護數值模擬優化

3.1   現有陰極保護效果

根據GB/T 31404-2015《核電站海水循環系統防腐蝕作業技術規范》[8],鋼板、鑄鐵構件、銅合金管、不銹鋼等組成的設備或系統,保護電位在-1 000~-800 mV（相對于Ag/AgCl電極）時[9],設備受到保護,同時二次濾網的保護電流密度應處于150~200 mA/m2。現有陰極保護系統陽極分布位置位于下游區域,采用數值模擬,得到現有陰極保護系統的陰極保護電位分布如圖6所示。若無特殊說明,下文所述的陰極保護電位均相對于Ag/AgCl電極。由圖6可見,二次濾網的陰極保護電位在-974.91~-854.4 mV,二次濾網受到保護。 

圖  6  二次濾網現有陰極保護電位分布云圖

Figure  6.  Cloud diagram of potential distribution of the existing cathodic protection potential of secondary filter structure

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3.2   犧牲陽極移位后保護效果

考慮到犧牲陽極陰極保護效果的最優性、現場環境制約及方便施工安裝等問題,選取了不同位置對二次濾網進行陰極保護效果比對。由于鋅合金犧牲陽極塊在海水中的消耗速率較快,且對環境毒性的影響非常大,為了保證核電站大修間隔期間設備的安全性,本次模擬計算中全部使用與現有材料相同的鋁合金犧牲陽極,犧牲陽極開路電位為-1.18~-1.10 V（相對于飽和甘汞電極SCE）,小塊犧牲陽極尺寸為300 mm×150 mm×30mm,大塊犧牲陽極尺寸為660 mm×150 mm×40 mm。 

為了防止犧牲陽極及緊固件脫落,沖擊凝汽器鈦管或進入鈦管內堵塞形成異物,損壞鈦管造成機組降功率的風險。將犧牲陽極位置移動至二次濾網網板上游,筒體的小塊犧牲陽極高度與濾網網板底高度相同,大塊犧牲陽極距離濾網網板底0.4 m,其位置如圖7所示,二次濾網的陰極保護電位在-817.11~-633.64 mV,二次濾網存在欠保護區域。 

圖  7  移位后的犧牲陽極位置及陰極保護系統電位分布云圖

Figure  7.  Position of sacrificial anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b) after displacement

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為方便現場施工,將大塊犧牲陽極改成小塊犧牲陽極,不改變位置,其安裝及二次濾網的陰極保護效果如圖8所示,二次濾網的陰極保護電位在-799.64~-618.38 mV,二次濾網存在欠保護區域。 

圖  8  犧牲陽極改成小陽極后陽極位置及陰極保護系統電位分布云圖

Figure  8.  The position of anode after changing sacrificial anode into small anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b)

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對二次濾網中的犧牲陽極位置進行優化,筒體的犧牲陽極向下游方向移動0.6 m,優化后的位置如圖9所示,二次濾網的陰極保護電位在-945.7~-800.8 mV,二次濾網處于被保護狀態。 

圖  9  移位后優化的犧牲陽極位置及陰極保護系統電位分布云圖

Figure  9.  Optimized sacrificial anode position (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b) after displacement

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將大塊犧牲陽極換成小塊犧牲陽極,小塊犧牲陽極位置及優化后的陰極保護效果如圖10所示,二次濾網的陰極保護電位在-952.68~-803.92 mV,二次濾網達到被保護狀態。 

圖  10  犧牲陽極改成小陽極后陽極位置及陰極保護系統電位分布云圖

Figure  10.  The position of anode after changing sacrificial anode into small anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b)

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將60塊小犧牲陽極（300 mm×150 mm×30 mm）對稱分布在二次濾網中心位置兩側筒體上,一側30塊,小塊犧牲陽極位置及優化后的陰極保護效果如圖11所示,二次濾網的陰極保護電位在-960.57~ -808.12 mV,二次濾網達到被保護狀態。 

圖  11  小塊犧牲陽極位置及優化后的陰極保護系統電位分布云圖

Figure  11.  Location of small sacrificial anode (a) and cloud diagram of potential distribution of optimized cathodic protection system (b)

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3.3   外加電流陰極保護效果

考慮到外加電流陰極保護效果的最優性,現場環境制約及方便施工安裝等問題,選取了不同位置進行陰極保護效果比對。若將改進方案調整為外加電流陰極保護,單支輔助陽極的位置在二次濾網網板上游,距離濾網網板最底部0.4 m,其位置如圖12所示。單支輔助陽極輸出電流為8.5 A,二次濾網的陰極保護電位在-1 001.30~-785.78 mV,二次濾網存在過保護和欠保護區域,未達到被保護狀態。 

圖  12  二次濾網單支輔助陽極位置及陰極保護電位分布云圖

Figure  12.  The position of single auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b)

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陰極保護系統采用兩支輔助陽極,陽極與濾網網板底相隔0.4 m,與筒體中心相隔1.2 m,其位置如圖13所示。2支輔助陽極輸出電流為12.5 A,二次濾網的陰極保護電位在-1 001.20~-795.78 mV,二次濾網依舊存在過保護和欠保護區域,未達到被保護狀態。 

圖  13  二次濾網2支輔助陽極位置及陰極保護電位分布云圖

Figure  13.  The position of two auxiliary anodes of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b) cloud

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對2支輔助陽極的位置進行移位,其位置如圖14所示,輔助陽極與濾網網板底相隔0.2 m,距離筒體中心1.2 m。陰極保護電流為3.8 A,二次濾網的陰極保護電位在-998.64~-807.30 mV,二次濾網受到保護。 

圖  14  移位后二次濾網輔助陽極位置及陰極保護電位分布云圖

Figure  14.  The position of auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b) after displacement

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對2支輔助陽極的位置進行優化,其位置如圖15所示,輔助陽極位于濾網高度方向的中間位置,距離筒體中心1.2 m。陰極保護電流為3 A,二次濾網的陰極保護電位在-962.88~-825.11 mV,二次濾網受到保護。 

圖  15  二次濾網輔助陽極位置及優化的陰極保護電位分布云圖

Figure  15.  The position of auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of optimized cathodic protection potential distribution (b)

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考慮到現場施工的方便性,將外加電流陰極保護的輔助陽極放置在二次濾網下游區域,輔助陽極安裝離盲孔處,在兩側的盲孔都安裝輔助陽極,安裝位置及保護效果見圖16,陰極保護電流為3 A,二次濾網的陰極保護電位在-950.15~-816.50 mV,二次濾網受到保護。 

圖  16  二次濾網輔助陽極位置（盲目孔）及陰極保護電位分布云圖

Figure  16.  The position of auxiliary anode (at blind hole) of secondary filter (a) and Cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b)

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3.4   討論

選取了不同犧牲陽極位置對二次濾網進行陰極保護效果比對,結果如表2所示。可以看到,當犧牲陽極全部在二次濾網下端（上游）時,二次濾網整體處于欠保護的狀態。將陽極高度提升,無論陽極塊的大小,二次濾網都可以受到良好的保護,當犧牲陽極塊對稱分布在二次濾網中心位置兩側筒體上,一側30塊時,保護效果最好。 

表  2  犧牲陽極位置及保護效果

Table  2.  Sacrificial anode location and protection effect

序號	犧牲陽極位置	保護效果
1	筒體的小塊犧牲陽極高度與濾網網板底高度相同,大塊犧牲陽極距離濾網網板底0.4 m	保護電位-817.11~-633.64 mV,二次濾網存在欠保護區域
	將上述大塊犧牲陽極改成小塊犧牲陽極后,不改變位置	保護電位-799.64~-618.38 mV,二次濾網存在欠保護區域
2	筒體的犧牲陽極向上游方向移動0.6 m,大塊犧牲陽極距離濾網網板底0.4 m	保護電位-945.7~-800.8 mV,二次濾網受到保護
	將上述大塊犧牲陽極轉成小塊犧牲陽極,不改變位置	保護電位-952.68~-803.92 mV,二次濾網受到保護
3	將60塊小犧牲陽極,對稱分布在二次濾網中心位置兩側筒體上,一側30塊	保護電位-960.57~-808.12 mV,二次濾網受到保護

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對選取的不同犧牲陽極位置進行陰極保護效果比對,結果如表3所示。可以看到,輔助陽極在二次濾網下端（上游）時,二次濾網存在過保護和欠保護區域。將輔助陽極往上端（下游）移動,二次濾網可以受到良好的陰極保護,考慮到陽極安裝的可實施性,計劃采用輔助陽極安裝在盲孔處,兩側各安裝1支的方法。 

表  3  輔助陽極位置、數量和保護效果

Table  3.  Number and position of auxiliary anode and protection effect

序號	輔助陽極位置	輔助陽極數量	保護效果
1	距離濾網網板最底部相隔為0.4 m	1	保護電位-1 001.30~-785.78 mV,存在過保護和欠保護區域,未達到有效保護
2	陽極與濾網網板底相隔為0.4 m,與筒體中心相隔1.2 m	2	保護電位-1 001.20~-795.78 mV,存在過保護和欠保護區域,未達到有效保護
3	輔助陽極與濾網網板底相隔0.2 m,距離筒體中心為1.2 m	2	保護電位-998.64~-807.30 mV,二次濾網受到保護
4	輔助陽極位于濾網高度的中間位置,距離筒體中心為1.2 m	2	保護電位-962.88~-825.11 mV,二次濾網受到保護
5	輔助陽極安裝在盲孔處,兩側各安裝一支	2	保護電位-950.15~-816.50 mV,二次濾網受到保護

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綜合以上數值模擬結果,可以看到,無論犧牲陽極保護還是外加電流陰極保護,當陽極的位置高于二次濾網底端（位于二次濾網上游）時,可以產生有效陰極保護,陽極位置與二次濾網中心高度一致時,保護效果最好。 

4.   結論

（1）核電站二次濾網作為凝汽器中重要的組件之一,對其進行合適的腐蝕防護措施,對核電站機組的安全運行意義重大。通過數值模擬分析,安裝在其下游的現有犧牲陽極保護系統能夠為凝汽器二次濾網提供有效保護。 

（2）為防止犧牲陽極或者緊固件脫落對鈦管造成損害,將犧牲陽極移動至二次濾網網板上游。當筒體的犧牲陽極對稱分布在二次濾網兩側,陽極位置與二次濾網中心位置一致時,對二次濾網保護效果最好。 

（3）在二次濾網網板上游安裝外加電流陰極保護系統,通過數值模擬,當輔助陽極于二次濾網中心位置一致,距離筒體中心為1.2 m時,二次濾網受到保護效果最優。 

（4）經過數值模擬結果比對,可以確認凝汽器二次濾網內犧牲陽極移位或采用外加電流陰極保護方法都是可行的,為減少海水沖蝕造成犧牲陽極損耗及更換陽極導致的人工成本等問題,避免陽極脫落對鈦管造成的沖擊問題,建議采用外加電流陰極保護的方法保護效果更好。